CN102937398B - 一种基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法，本发明方法针对传统爆破扰动控制仅考虑爆炸荷载诱发扰动的不足，通过改变炮孔布置和起爆网络来减小单段爆破导致的岩体应变能释放量，从而达到在控制爆炸荷载诱发扰动的基础上，减弱岩体应变能的总体释放速率的目的，以实现对深部岩体开挖扰动的控制，最终实现对岩爆的主动控制。本发明可适用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下工程的爆破开挖施工。

Description

一种基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法。

背景技术

岩爆是地应力较高的地下工程开挖过程中常遇到的工程地质问题，是一种人类活动诱发的围岩的动力破坏现象。自1738年在英国锡矿坑道中首次发现岩爆现象以来，岩爆已成为地下工程领域普遍关注的一种地质灾害。国内外许多工程实践均表明，岩爆具有三个特性：滞后特性、追踪掌子面特性和重复特性。滞后特性是指岩爆往往发生在爆破开挖完成后5~20h之内，滞后于开挖过程；追踪掌子面特性是指岩爆的高发区段往往随着爆破开挖掌子面的推进而变化；重复特性是指发生岩爆后一段时间，先前的岩爆坑内再次发生或多次发生岩爆的特性。这些特性表明，爆破开挖扰动在已开挖段围岩中的传播及其对围岩稳定性的影响具有重要影响。因此，深埋隧洞开挖过程中对爆破开挖扰动进行主动的、适当的控制是削弱岩爆、降低岩爆等级和降低岩爆发生几率的有效手段之一。

对于浅埋地下工程来讲，爆破开挖扰动主要是爆炸荷载对围岩的扰动作用。因此，传统的爆破开挖扰动控制方法可以总结为“短进尺、弱爆破”，其核心思想是通过对一次爆破规模的控制和各微差段间合理起爆时差的选择，控制最大单响装药量和一次起爆总药量，结合炮孔布置和起爆网络优化，以合理充分地利用炸药的化学能达到破岩和抛掷的目的，同时减弱对周围岩体的扰动影响。

随着我国西南地区水电开发的深入及矿产资源开采深度的增加，人类活动不断走向岩体深部，爆破开挖扰动引起深部岩体地应力重分布，岩体内部将产生局部弹塑性能集中现象，能量的积聚引起岩体裂隙的产生与扩展，甚至是地质间断面(断层)的运动，由此导致应力波或弹性波的释放并在周围岩体内快速传播诱发岩爆甚至矿山地震。上个世纪60年代，采矿业发达的南非采用了能量释放率来评估深部金矿的岩爆发生可能性，能量释放率指被爆岩体所储存的应变能与其体积的比值，但仅给出了深部金矿岩爆发生可能性的评价指标，并未给出具体的深部岩爆控制措施。

在深部岩体爆破开挖过程中，钻爆开挖是通过爆炸荷载和孔壁围岩相互作用，达到破碎岩石、抛掷碎块。伴随着爆炸产生的岩体开裂和新自由面的形成，被开挖岩体对保留岩体的应力约束瞬间消失，即开挖面上地应力瞬态释放，同时被爆岩体和围岩一定深度范围岩体所储存的弹性应变能全部或部分高速释放，也将引起附近围岩的剧烈振动，诱发岩爆。因此，深部岩体爆破开挖扰动的控制可以从控制爆破开挖扰动本身及伴随爆破过程发生的应变能瞬态释放两个方面着手，最终达到主动出击，削弱岩爆、降低其等级或降低其发生几率的目的。

目前，适用于浅埋地下工程的爆破开挖扰动控制方法仅考虑控制爆炸荷载所诱发的动力扰动，忽视了对深部岩体应变能瞬态释放的控制，因此并不适用深埋地下工程。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于深部地下工程的、基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法，该方法能同时控制爆炸荷载和深部岩体应变能瞬态释放所诱发的开挖扰动，从而实现深部岩爆的主动控制。

在传统的“短进尺、弱爆破”的爆破开挖扰动控制思想的基础上，根据初始应力场或已开挖洞段形成的二次应力场的方位和大小，在现有的炮孔布置基础上采用全新的起爆网络设计，以便在控制爆破开挖扰动的同时控制深部岩体应变能的释放过程，最终高效地实现深部岩体爆破开挖扰动控制。

在工程爆破领域普遍采用质点峰值振动速度来表征岩爆的强度。按照弹性卸载假定，某一单位体积内岩体所储存和释放的应变能与其在爆破开挖前后所处的应力状态密切相关。爆破破岩过程中，岩体中的应变能瞬态释放、应力瞬态卸载。每一段炮孔起爆过程中开挖面上的地应力瞬态释放产生的卸载扰动以弹性波速向外传播，质点峰值振动速度v与弹性波阵面上应力σ存在如下关系：

$v=k\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ρ}{C}_p}$

式中：

v为质点峰值振动速度；

σ为弹性波阵面上的应力；

ρ为岩体的密度；

C_p为弹性纵波速度；

k≥1，为经验系数，k取决于每一微差起爆段中一次同时起爆的炮孔的数目及炮孔的排列方向与二次应力场方向的关系；当一次起爆的炮孔的中心连线与最大主应力方向平行或小角度相交时取小值，大角度相交或垂直时取大值。

基于上述思想，对于深埋隧洞的爆破开挖，根据常规的以单响药量控制为核心的钻爆设计方案在待开挖隧洞掌子面上布置掏槽孔、崩落孔、缓冲孔和光面爆破孔，在不改变上述掏槽孔、崩落孔、缓冲孔和光面爆破孔功能的基础上进行起爆联网优化，使各微差起爆段炮孔的中心连线尽量平行于大主应力方向或与大主应力方向形成不大于30°的夹角，这样可减小k值。在不减少炮孔数目、不改变装药结构的同时，仅通过优化起爆联网来减小单段爆破所导致的岩体应变能释放量，有效地减小过大的开挖动力扰动导致岩爆发生的可能性，从而实现有效的岩爆控制效果。上述炮孔的中心连线并不限于直线，也可能为弧线或折线，上述的炮孔指掏槽孔、崩落孔、缓冲孔和光面爆破孔。

本发明的技术方案如下：

一种基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法，包括步骤：

步骤一，爆破开挖前确定待开挖隧洞掌子面附近围岩中的各主应力的方位；

步骤二，按照以单响药量控制为核心的钻爆设计方案在待开挖隧洞掌子面上进行布孔、钻孔和装药，所述的孔包括掏槽孔、崩落孔、缓冲孔、光面爆破孔；

步骤三，根据开挖隧洞围岩中的地应力水平及方向对掌子面上的炮孔进行起爆联网，和常规起爆联网相比，不改变掏槽孔的起爆联网及起爆顺序，即最先起爆掏槽孔；主要优化崩落孔、缓冲孔和光面爆破孔的起爆联网，优化方式为：减少各微差段中联入大主应力方向的炮孔数，同时增加各微差段中联入小主应力方向的炮孔数，各微差段中联大、小主应力方向的炮孔是指该微差段中炮孔连线与大、小主应力方向夹角为60°～90°的炮孔；

步骤四，采用微差起爆方法进行起爆。

步骤一中待开挖隧洞岩体的主应力水平及方向是根据地质勘测资料或数值计算确定。

步骤三中对崩落孔、缓冲孔和光面爆破孔常规起爆联网进行割裂重排，可能会增加微差起爆段数。

上述炮孔连线并不限于直线，也可能为弧线或折线。

与传统的爆破开挖扰动控制方法相比，本发明存在以下优点和有益效果：

本发明方法在控制爆炸荷载诱发的爆破开挖扰动的基础上，根据二次应力场对炮孔布置和起爆网络进行优化，达到了同时控制爆破振动和深部岩体应变能释放效应的目的，方法简单易行，控制效果好，适用于深埋地下工程的爆破开挖。

本发明可广泛应用于水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下工程的爆破开挖和深部爆破开采扰动控制中。

附图说明

图1某圆形深埋隧洞掌子面上的常规炮孔布置和起爆联网横剖面图；

图2某圆形深埋隧洞掌子面上的优化炮孔布置和起爆联网横剖面图；

图3某城门洞形深埋隧洞掌子面上的常规炮孔布置和起爆联网横剖面图；

图4某城门洞形深埋隧洞掌子面上的优化炮孔布置和起爆联网横剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明。

实施例1

在某无限山体中开挖一深埋圆形隧洞，隧洞掌子面直径D=5m，该掌子面的水平初始地应力λp为大主应力，竖直初始地应力p为小主应力，λ为侧压力系数，λ≥1，全断面爆破开挖成型。掌子面中部采用直孔掏槽，由里往外，开挖掌子面上依次布置2圈掏槽孔、4圈崩落孔、1圈周边光爆爆破孔，上述掏槽孔、崩落孔、周边光爆爆破孔的常规起爆联网方法是：将炮孔连接成圆形得到MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13共7个微差起爆段，见图1所示。

若按上述联网进行微差起爆，每一微差段起爆时在岩体中均形成一个整圆的开挖轮廓面，在这个新的轮廓面上法向地应力均同时瞬间卸载，在围岩中激起较为强烈的卸载应力波，导致一整圈被开挖部分的岩体中储存的应变能瞬间同时释放。那么公式（1）中的经验系数k将取较大值，也就是说除了爆炸荷载诱发的振动外，还将导致较大的围岩开挖扰动，不利于邻洞或本洞已开挖洞段的围岩稳定，使岩爆发生的风险或岩爆等级增大的风险急剧增加。

本实施例则采用如下的优化起爆联网方法：将图1中的MS5、MS7、MS9、MS11、MS13微差起爆段均优化分成4段微差起爆段，MS1、MS3微差起爆段保持不变，参见图2，例如，MS5微差起爆段分成了MS5a、MS5b、MS5c、MS5d4段微差起爆段。这样，限制了垂直于大主应力λp方向的同时起爆的炮孔数，同时使得更多炮孔连接成与大主应力λp方向近似平行的弧线。通过对起爆网络的优化，达到了同时控制爆破振动和深部岩体应变能释放效应的目的。

实施例2

参见图3，某无限山体中开挖一深埋城门洞形隧洞，隧洞掌子面直径D=5m，水平初始地应力λp为大主应力，竖直初始地应力为p为小主应力，λ为侧压力系数，λ≥1，全断面爆破开挖成型。按照以单响药量控制为核心的钻爆设计方案掌子面上布置掏槽孔、崩落孔和周边光爆爆破，上述掏槽孔、崩落孔、周边光爆爆破孔常规起爆联网方法是：将炮孔连接成如如3所示的MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11、MS13、MS15、MS17共9个微差起爆段。

若按上述联网进行起爆进行起微差爆，MS5、MS7和MS11微差起爆段起爆时在岩体中均形成一个城门洞型的开挖轮廓，在这个新的轮廓面上法向地应力均同时瞬间卸载，在围岩中激起较为强烈的卸载应力波，导致一整圈被开挖部分的岩体中储存的应变能瞬间同时释放。根据公式（1），其中的经验系数k将取较大值，也就是说除了爆炸荷载诱发的振动外还将导致较大的围岩开挖扰动，不利于邻洞或本洞已开挖洞段的围岩稳定，使岩爆发生的风险或岩爆等级增大的风险急剧增加。

如图3、图4所示，对城门洞型隧洞，将原本呈门字型起爆的MS5、MS7、MS13和MS17段进行分段优化，减小垂直于大主应力方向同时起爆的炮孔数目，同时尽量使同段炮孔的中心连线平行于大主应力方向。

本实施例则采用了如下的优化起爆联网方法：如图3所示，将图2中呈门字型起爆MS5、MS7、MS13微差起爆段进行分段割裂并重组，得到新的微差起爆段MS5a、MS5b、MS5c、MS7a、MS7b、MS7c、MS11a、MS13a，保持MS1、MS3、MS79、MS15、MS17不变。减少垂直于大主应力λp方向同时起爆的炮孔数目，同时使同段炮孔的中心连线近似平行于大主应力λp方向。在不改变炮孔综述和各炮孔装药结构的基础上，根据二次应力场对炮孔布置和起爆网络进行优化，达到了同时控制爆破振动和深部岩体应变能释放效应的目的。

本发明方法还可以应用于大断面地下洞室台阶爆破中，使得抛掷方向（即炮孔连线）平行于大主应力方向或与大主应力方向形成不大于30°的夹角，使爆源侧向垂直于大主应力方向或与大主应力方向形成60°～90°的夹角，也可有效减小单段爆破所导致的岩体应变能释放量。

Claims (2)

1.一种基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，爆破开挖前确定待开挖隧洞掌子面的主应力水平及方向；

步骤二，按照以单响药量控制为核心的钻爆设计方案在待开挖隧洞掌子面上进行布孔、钻孔和装药，所述的孔包括掏槽孔、崩落孔、缓冲孔、光面爆破孔；

步骤三，根据开挖隧洞围岩中的主应力水平及方向对掌子面上的炮孔进行起爆联网，和常规起爆联网相比，保持掏槽孔的起爆联网，优化崩落孔、缓冲孔和光面爆破孔的起爆联网，具体优化为：减少各微差段中联入大主应力方向的炮孔数，同时增加各微差段中联入小主应力方向的炮孔数，各微差段中联入大、小主应力方向的炮孔指该微差段中炮孔连线与大、小主应力方向夹角为60°～90°的炮孔；

步骤四，采用微差起爆方法进行起爆。

2.如权利要求1所述的基于爆破开挖扰动控制的岩爆主动控制方法，其特征在于：

步骤一中待开挖隧洞围岩中的主应力水平及方向是根据地质勘测资料或数值计算确定。